Analiza procesów regulacji ciągłej w oparciu o zestaw badawczy BP

0 03
E’ 2
M
AM
1 2th
Analiza procesów regulacji ci głej w oparciu o zestaw badawczy BP-40
J. wider, G. Kost
Katedra Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów
Wytwarzania, Politechnika l ska w Gliwicach, PL-44 100 Gliwice, ul. Konarskiego 18a
W artykule przedstawiono podstawowe zasady regulacji ci głych procesów
technologicznych Przedstawiono pakiet dydaktyczny BP-40 przeznaczony do modelowania i
analizy metod regulacji ci głej. Omówiono budow , podstawowe moduły zestawu PB-40 i
przykład symulacji zło onego procesu regulacji.
1. WPROWADZENIE
Nierozł cznym elementem współczesnego przemysłu jest automatyzacja. Poziom jej
rozwoju w sposób zdecydowany wpływa na jako i wydajno realizowanych procesów
technologicznych. Jednym z istotnych elementów automatyzacji, którego rozwój ma istotny
wpływ na osi gni cia i poziom techniczny produkcji przemysłowej jest technika sterowania
obejmuj ca swoim zasi giem wszystkie dziedziny i gał zie automatyki zwi zane z
oddziaływaniem na proces technologiczny tak, by zapewni jego zachowanie si w dany
sposób. Regulacja czyli oddziaływanie na okre lony proces w celu zmniejszenia odchyle
jego przebiegu od przebiegu po danego [1] realizowana jest obecnie w sposób automatyczny
za pomoc specjalnych urz dze zwanych regulatorami. Regulator ł cznie z jego organem
pomiarowym wyznacza warto wielko ci regulowanej, porównuje j z warto ci zadan tej
wielko ci i wyznacza odchylenie (tzw. uchyb - e) oraz wytwarza przeciwdziałanie niezb dne
do utrzymania mo liwie najmniejszej warto ci tego odchylenia. Elementami procesu
sterowania s : układ regulacji (regulator) i obiekt regulacji (obiekt sterowania). Układem
regulacji automatycznej [2] nazywa si układ ze sprz eniem zwrotnym, który samoczynnie
(bez udziału człowieka) zapewnia po dany przebieg wybranych wielko ci
charakteryzuj cych sterowany proces, zwanych wielko ciami regulowanymi (rys. 1).
Rys. 1. Układ sterowanie zamkni ty. K(s) – transmitancja regulatora, x – sygnał wej ciowy
(zadany, tzw. wymuszenie), e – uchyb regulacji, u –sygnał steruj cy (nastawny), z –
zakłócenie, y – sygnał wyj ciowy układu regulacji, yp – sygnał wyj ciowy przetworzony przez
przekładni pomiarow
948
J. wider, G. Kost
W grupie regulatorów coraz wi ksze znaczenie maj regulatory ci głe pozwalaj ce w sposób
ci gły, tzn. nieprzerwany w czasie realizowa zaplanowane zadanie kontroli sterowanego procesu
technologicznego [1]. W układach takich sygnały s przesyłane w sposób ci gły (nieprzerwany w
czasie – w przeciwie stwie do układów dyskretnych w układzie których przebiegi sygnałów s
przerywane w czasie, czyli maj charakter dyskretny). Sterowane procesy technologiczne,
których działanie mo na przedstawi za pomoc matematycznych przebiegów funkcji ci głych,
(sparametryzowanych czasem) nazywa si procesami ci głymi, a zadanie sterowania takim
procesem - sterowaniem ci głym lub regulacj ci gł [1]. Regulatory pracuj ce w oparciu o
zdefiniowane przebiegi ci głe nazywa si regulatorami ci głymi.
2. REGULATORY CI GŁE
Regulatory ci głe s układami automatyki stosowanymi w tych przypadkach regulacji w
których chodzi o uzyskanie szczególnie du ej dokładno ci odtwarzania sygnałów zadanych.
Problem ten wyst puje przede wszystkim w regulacji układów posiadaj cych przebiegi o
skomplikowanych kształtach oraz tam, gdzie zachodzi konieczno
tłumienia nagle
pojawiaj cych si losowo zale nych zakłóceniach [1]. Regulatory te charakteryzuj si tym, e
maj niewielki wpływ na zniekształcenia sygnału wyj ciowego y(t), gdy ich główny tor regulacji
ma dostatecznie du y współczynnik wzmocnienia K. Cecha ta umo liwia proste ich ł czenie w
zestawy (tzw. kaskady), gdy stanowi one oddzielne człony (moduły) regulacyjne, a ich
wzajemny wpływ i obci enie obiektu regulacji jest pomijalnie mały. S to:
1) regulatory proporcjonalne (typu P), o transmitancji K ( s ) = K p
2) regulatory całkuj ce (typu I), o transmitancji
K ( s) =
1 ;
Ti s
3) regulatory proporcjonalno-całkuj ce (typu PI), o transmitancji K ( s) = K p (1 + 1 ) ;
Ti s
4) regulatory proporcjonalno-ró niczkuj ce (typu PD), o transmitancji K ( s ) = K p (1 + Td s ) ;
5) regulatory proporcjonalno-całkuj co-ró niczkuj ce (typu PID), o transmitancji operatorowej
1
K ( s ) = K p (1 +
+ Td s ) .
Ti s
gdzie: Kp – współczynnik wzmocnienia regulatora, Ti – tzw. czas zdwojenia (całkowania lub
działania integruj cego), Td – czas wyprzedzenia (ró niczkowania) i k – wsp. proporcjonalno ci, a
t to czas regulacji. Człony te posiadaj standardowo dwa wej cia – po jednym od ródła sygnału
zadanego w(t) i od czujnika (członu pomiarowego) i jedno wyj cie do członu wykonawczego. W
celu poprawienia charakterystyk regulatora i zmniejszenie niekorzystnego wpływu obiektu
regulowanego na działanie regulatora wyposa a si je w dodatkowe człony, których zadaniem jest
poprawa charakterystyk regulatora i pracy obiektu regulacji.
3. ZESTAW BADAWCZY BP-40
Zestaw specjalistyczny BP-40 [3] jest układem badawczym przeznaczonym do analizy
zło onych procesów regulacji ci głej. Zestaw ten składa si z trzech modułów, z których
podstawowy układ BP–40 jest wzbogacony o dodatkowe moduły poszerzaj ce jego
mo liwo ci, takie jak:
– BP-40T „MOTOR BOARD” umo liwiaj cy realizacj funkcji regulacj temperatury,
pr dko ci obrotowej, nat enia wiatła;
– BP-40P „SERWO BOARD” umo liwiaj cy regulacj poło enia z wykorzystaniem silników
krokowych i czujników poło enia.
Analiza procesów regulacji ci głej w oparciu o zestaw badawczy BP-40
949
W skład pakietu wchodz podstawowe elementy automatyki takie, jak regulatory, przeka niki,
wzmacniacze sygnału, w zły sumacyjne, elementy inercyjne, co pokazano na schemacie
blokowym zestawu (rys. 2).
Rys. 2. Struktura blokowa zestawu BP-40
Moduł podstawowy BP-40 składa si z panelu sterowniczego z zamieszczonymi
symbolami poszczególnych bloków funkcyjnych w które jest on wyposa ony. Wraz z
modułami dodatkowymi umo liwia przeprowadzenie analiz procesów regulacji ci głej w
nast puj cym zakresie:
– analiza dynamiki regulacyjnej układów liniowych,
– badanie zachowania si ci głych układów regulacji ze sprz eniem zwrotnym,
– regulacji ci głej jednej zmiennej,
– regulacji ci głej wielu zmiennych.
4. PRZYKŁAD
Mo liwo ci układu BP-40 w modelowaniu i symulowaniu pracy zło onych układów
regulacji procesów ci głych przedstawiono na przykładowym modelu układu sterowania
przeznaczonego do regulacji prac
silnika. Wykorzystuj c wymagania stawiane
projektowanemu układowi regulacji opracowano schemat ideowy procesu regulacji ci głej
układu silnika, co pokazano na rys. 3.
Rys. 3. Schemat ideowy poł cze układu regulacji prac silnika.
950
J. wider, G. Kost
Zadaniem układu jest regulacja pr dko ci obrotowej silnika w układzie ze sprz eniem
zwrotnym. Do regulacji warto ci pr dko ci obrotowej n silnika wykorzystano sygnał zwrotny
regulatora, który przebiega przez komparator K i zł cze A do stopnia ko cowego układu
regulacji silnikiem, natomiast kanał warto ci chwilowych jest zwarty zł czem C. Planowany
przebieg modelowanego zadania regulacji sprowadza si do nast puj cych czynno ci:
– w oparciu o zdefiniowany schemat ideowy i zestaw BP-40 nale y zbudowa układ
regulacji, którego schemat blokowy pokazano na rys. 4;
– ustawi warto zadan napi cia wej ciowego Uw w ten sposób by obci ony nap d
pracował w trybie pracy znamionowej oraz dla regulatora proporcjonalnego ustawi Kp =
5, a dla całkuj cego Ti = 0,01s,
– zmierzy okre lone wielko ci regulacyjne przy pełnym obci eniu silnika obseruj c
zachowanie si układu.
Ω
Rys. 4. Schemat blokowy układu regulacji BP-40
Post puj c w taki sposób mo liwe jest zamodelowanie ka dego układu regulacji i
symulowanie jego zachowania si , co umo liwia wypracowanie optymalnych decyzji
dotycz cych przebiegu planowanego procesu regulacji bez konieczno ci wykorzystywania do
tego celu obiektów rzeczywistych.
5. WNIOSKI
Wykorzystanie układów badawczych pozwalaj cych na symulowanie pracy zło onych
układów regulacji jest jednym z najwa niejszych zalet opisanego układu. Pozwala to na
precyzyjne zaprojektowanie układu regulacji, okre lenie przebiegu procesu regulacji i
parametrów regulacyjnych bez konieczno ci anga owania do tego rzeczywistego obiektu
regulacji.
LITERATURA
1. Kaczorek T.: Teoria sterowania i systemów. Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999.
2. wider J. red.: Sterowanie i automatyzacja procesów technologicznych i układów
mechatronicznych. Układy pneumatyczne i elektroniczne ze sterowaniem logicznym (PLC).
Wydawnictwo Politechniki l skiej, Gliwice 2002.
3. Festo Didactic.: Wprowadzenie do zestawu BP-40. Warszawa 1998.